Negatiivne temperatuur: mõista, mis juhtub alla absoluutse nulli

Lõks2

Temperatuuri peetakse tavaliselt antud kogumi üksikute aatomite või molekulide keskmiseks energiaks. Sarnase massiga aatomite puhul oleks see “kineetiline temperatuur” põhimõtteliselt nende kiirus tasakaalus. Molekulide rühma jaoks on meil vaja teha ainult natuke lisarvestust. Nende koguenergia jaguneb ka nende aatomite suhtelisteks liikumisteks, mis võnguvad nende sidemete ümber, tavaliselt kas painutades või tõlkides liikumisi.

Need tuttavad temperatuuri ideed toimivad enamiku tahkete ainete, vedelike ja gaaside puhul üsna hästi ning vastavad üldisele ootusele, et see peaks alati olema absoluutsest nullist suurem. Mida peaksime tegema hiljutisest nõudest, mille esitas a Saksa teadlaste rühm et nad on loonud eksperimentaalse süsteemi, kus negatiivseid (nagu absoluutse nulli all) temperatuure saab tegelikult jälgida ja mõõta?



Hoolimata peaaegu universaalsest soovist leida argipäevast teispoolsus, pole kahjuks tõelist uut veidrust negatiivse temperatuuri ideega. Negatiivse temperatuuri lõi esmakordselt 1951. aastal Ed Purcell, kes võitis järgmisel aastal Nobeli preemia. Muude seotud tegevuste kõrval oli ta varem olnud esimene inimene, kes jälgis tuumamagnetresonantsi (NMR) - tänapäevase MRI-skanneri südant -, mis kasutab tuumade keerutuste polariseerimiseks suurt magnetvälja. Tegelikult olid Purceli loodud negatiivse temperatuuri süsteemid tuumaketrid liitiumfluoriidi kristallis, mis oli toatemperatuuril. Saksa grupi loodud negatiivse temperatuuri süsteemi uudsus seisneb selles, et tuumaspinnide asemel kasutasid nad ultrakülmi aatomeid. Nad kirjeldavad oma süsteemi kui “liikumisvabaduse astmeid”, erinevalt tuumaketrustest, mis ei liigu üheski tavapärases mõttes.



neg tempMis on siis negatiivne temperatuur?

Negatiivse temperatuuri kirjeldamine „lõpmatusest kuumemana” või lihtsalt udusematele määratlustele apelleerimine entroopia ja termodünaamika teise seaduse järgi, nagu sageli tehakse, ei hakka seda meie eesmärkidel lõikama. Asi pole selles, et meil ei oleks entroopia arutamiseks keerukust, vaid rohkem pakub mõistmine tuttavamates tingimustes suuremat rahuldust.



Entroopia on mugav matemaatiline konstruktsioon, mis näitab, et kui süsteemile lisatakse soojust, muutuvad aatomid vähem korrastatuks. Teisisõnu, neil on rohkem olekuid või ütleme nii, et nende käsutuses olevad võimalused. Negatiivne absoluutne temperatuur tähendab tegelikult seda, et soojuse lisamisega muutuvad aatomid juhuslikumaks muutumise asemel tellitumad. See võib juhtuda näiteks siis, kui saadaolevate suure energiaga kohtade arv on piiratud ja seetõttu tõenäoliselt kiiresti täidetud.

Näiteks kui meil oleks kambri numbritega loteriipalle puhunud suures kambris ja pööraksime puhuri kiiruse üles, nii et need jõuaksid kogu kambri ülemisse ossa, võis täheldada nende entroopia ja temperatuuri tõusu. Kui oleksime aga kambri katuse alumisele küljele ka salaja kleepunud kleepuvat silikoonkummi, võiksid piisava energiaga pallid jõuda silikoonikihini ja immobiliseeruda, alandades seeläbi seda temperatuuri tõhusalt.

Kas negatiivsete temperatuuride loomine võib tõesti olla nii lihtne kui see?



Entroopia kutsumise ja kõigi süsteemile saadaolevate olekute tegeliku loendamise proovimise probleem on just see - kõigi nende olekute loendamine. Seda on lihtsam öelda kui teha ja harva on võimalik seda täpselt öelda. Segaduse illustreerimiseks võtke infotehnoloogia rajanud Bell Labsi töötaja Claude Shannon. Shannon töötas välja valemi signaali sumbumise kvantifitseerimiseks varajastes telefoniliinides. Esialgu otsustas ta oma mõõtme nimetada „ebakindluseks“, kuid muutis selle pärast „kohtumist John Von Neumanniga“ entroopiaks - Von Neumann, kes ise on kaasaegse andmetöötluse rajaja, oli täheldanud, et „keegi ei saa entroopiast niikuinii aru, nii et saate alati on arutelus eelis. '

Copyright © Kõik Õigused Kaitstud | 2007es.com